閆雷鴿，龔家謙，張 龍，程 勇

（航空工業(yè)成都飛機工業(yè)（集團）有限責任公司，成都 610092）

復合材料加筋壁板是一種典型的航空航天復合材料連接結構，應用極其廣泛，有著優(yōu)異的承載能力、結構簡單且輕量化、連接數(shù)量少、整體成型性好以及局部剛度合適等一系列優(yōu)點，在航空復合材料領域的使用量正在逐年增加[1]。為了滿足壁板的剛度要求，大量采用J型、T型、Ω型等結構設計的加筋壁板可較大程度提高抗彎等力學性能[2]。隨著加筋壁板使用量的增加，手工鋪疊效率低、質(zhì)量不穩(wěn)定等缺點越來越突出，因此國內(nèi)外開始研究使用自動化設備制造加筋壁板，一般可采用自動鋪帶或自動鋪絲成型。何煜文等[3]制造某型機復合材料外翼加筋上壁板，對T型加筋壁板自動化制造技術進行多方位的研究探索和試驗驗證，初步實現(xiàn)了復合材料構件數(shù)字化制造和自動鋪帶工藝技術工程化應用。復合材料加筋壁板成型較多使用筋條和芯材 （捻子條），而目前國內(nèi)筋條和芯材多采用手工進行鋪疊制作。國外已經(jīng)開始對筋條開展自動折彎成型技術研究，如Aritex公司針對T型長桁開展了自動折彎成型技術研究，Applus公司和西班牙的Delta Vigo公司針對Ω型長桁均開展了自動折彎成型技術研究。

國內(nèi)也開展了一些自動化成型技術研究，大連理工大學王強[4]以熱隔膜成型技術為支撐，結合工業(yè)機器人技術，對碳纖維復合材料J型加強筋成型質(zhì)量進行研究，驗證了所采用的工藝路線是可以結合工業(yè)機器人技術來實現(xiàn)的。閆超等[5]通過研制開發(fā)的芯材設備優(yōu)化了芯材的制造工藝，探討了不同的工藝參數(shù)對芯材制造質(zhì)量的影響。黃當明等[6]對預浸料在不同材料填充量、材料預熱溫度工藝參數(shù)下，使用芯材填充設備自動化生產(chǎn)出的捻子條與手工制作的捻子條進行對比，并填充到T型試驗件中，通過拉力機測試拉伸時最大破壞載荷值，研究自動化生產(chǎn)的捻子條與手工制作的捻子條在復合材料加筋結構對力學性能的影響，最終確定使用自動化設備生產(chǎn)捻子條優(yōu)于人工制造，可在批量生產(chǎn)中推廣應用。

壁板、梁等大型承力結構的形式?jīng)Q定了此類構件一般采用熱壓罐工藝成型[7]，而加筋壁板一般采用整體化結構，即筋條與蒙皮一體化結構，而非使用大量的緊固件連接筋條與蒙皮，制造方法一般分為共固化、二次膠接和膠接共固化[8–9]。王瑩等[10]從工藝制造及模具設計兩方面論述了如何解決復合材料加筋壁板成型工藝中存在的無損外形控制和脫模困難等問題。

本文通過采用干蒙皮濕筋共膠接技術，先將蒙皮熱壓罐固化，再使用自動折彎設備制作出未固化的J型筋條，應用芯材自動拉擠技術并使用芯材填充設備自動化生產(chǎn)出芯材，將筋條、芯材與蒙皮用膠膜組裝在一起，并在熱壓罐中膠接共固化成型，成功地應用自動化成型技術，制造出了滿足技術要求的J型加筋壁板，驗證了筋條自動折彎原理的可行性，為加筋壁板自動化成型生產(chǎn)線的建立奠定了基礎。

1 試驗及方法

1.1 試驗材料和設備

主要材料：ZT7H/5429單向帶預浸料 （北京航空制造工程研究所）；J–116B，δ0.2膠膜 （黑龍江石油化學研究院）。

輔助材料：Airpad橡膠、隔離膜（A4000）、透 氣 氈 （Airweave N10）、真空袋 （Ipplon WN1500）、膩子條（GS 43MR）。

設備：自動彎折設備、芯材成型設備、熱壓罐。

1.2 制作流程

J型加筋壁板的制造流程如圖1所示，下文將分步進行說明。

圖1 J型加筋壁板的制造流程圖Fig.1 Manufacturing flow chart of J-type stiffened panel

（1）軟模制作。在軟模成型模上制作軟模，軟模采用上下各一層未硫化的Airpad橡膠，中間夾三層碳布預浸料，鋪疊完成打真空袋，在溫度180 ℃、壓力0.7 MPa下，保持至少150 min固化。

（2）蒙皮制造。將預浸料ZT7H/5429按照設定的尺寸和順序鋪疊，鋪疊完成后，封裝真空袋，進熱壓罐按照設定的固化程序固化，固化完成后去除輔助材料，不脫模，待膠接。

（3）筋條自動折彎。所需要制作的典型J型筋條如圖2所示，C型和Z型部分的鋪層為[–45°/0/45°/0/90°/0/–45°/0/45°/0]，預浸料單層固化后理論厚度為0.125 mm，故筋條理論厚度為2.5 mm。

圖2 J型筋條示意圖Fig.2 J-type stiffened panel sketch

自動折彎成型的原理如圖3所示，下模具3和4兩塊模板可以左右運動，下方設置一個可以上下運動的插板，上模具1和2的兩塊模板可以左右運動，預浸料放在上下模具中間。成型過程分為6個步驟。

圖3 J型筋自動折彎原理圖Fig.3 Principle diagram of automated bending J-type stiffeners

步驟1，預浸料放在上下模具中間，以插板運動作為預浸料折彎的動力，插板在模具3和4之間，插板向上運動；

步驟2，插板頂著預浸料向上運動，上模具的兩塊模板1和2分別向左右兩側運動，預浸料隨著插板向上運動至所需的位置，形成T型結構；

步驟3，使用超聲波切割預浸料頂部，將預浸料從中間切開，然后插板向下運動撤出；

步驟4，上模具的兩塊模板1和2向中間運動加緊預浸料；

步驟5，滾動壓輥5從上模具的上方向上端的預浸料滾壓；

步驟6，重復滾壓，直至上端的預浸料彎曲，折彎過程中，預浸料根據(jù)需要進行加熱。

根據(jù)折彎原理，制作J型筋條將使用自動折彎設備（圖4）自動化成型，模式為插板式模壓成型。

圖4 自動折彎設備Fig.4 Automated bending equipment

對試驗件筋條進行分析，試驗件共有4根筋條，每根筋條展開尺寸約為480 mm×250 mm，因此在進行筋條鋪疊時可一次性將4根筋條所需的坯料的展開面積鋪疊出來，并考慮余量，因此坯料的尺寸設計為500 mm×1000 mm。

J型筋條制作步驟：

步驟1，按照設計鋪層[– 45° / 0/ 45° / 0 / 90° / 0 / –45°/0/45°/0]手 工 鋪疊平板坯料，鋪疊完成后進行一次預抽，使預浸料層間貼合，但是不貼合過緊，僅預抽一次是因為多次預抽會使預浸料貼合過緊，在折彎過程中不易發(fā)生層間滑移，易出現(xiàn)皺褶，將坯料放置于吸附臺，使用超聲切割分切成4塊尺寸為480 mm×250 mm的預浸料平板；

步驟2，預浸料平板分切完成后，將分切的預浸料平板分別標記為1#、2#、3#和4#，使用吸附裝置抓取1#預浸料平板，轉(zhuǎn)運至成型凈邊臺下模具上，并將模具兩側夾緊，將插板從預浸料中間往上推，形成T型結構；

步驟3，超聲切割刀對T型上端沿筋條長度方向進行切割，切割完成后插板向下退出，兩側的上模塊向中間加緊，按設定加熱溫度45 ℃和加熱時間15 min開啟加熱，加熱后使用滾動壓輥向一側滾壓切割后的上端預浸料，形成所需的J型筋條；

步驟4，滾壓完成后，使用超聲切割刀進行筋條上端的凈邊切割；

步驟5，筋條上端的凈邊切割完成后，使用翻轉(zhuǎn)裝置將上模進行翻轉(zhuǎn)，使用滾動壓輥對切割后的下端料片進行單向滾壓，同時按設定加熱溫度45 ℃和加熱時間15 min開啟加熱，滾壓完成后，使用超聲切割刀進行筋條下端的凈邊切割；

步驟6，筋條下端切割完成后，將下模放置在滾壓后的筋條上，使用翻轉(zhuǎn)裝置將工裝翻轉(zhuǎn)180°進行后續(xù)定位。

2#、3#、4#料片使用同樣的方式完成筋條的制造及定位。

（4）芯材自動拉擠。芯材拉擠的流程如圖5所示。

圖5 芯材自動拉擠流程圖Fig.5 Automated pultrusion molding flow chart of radius fillers

芯材截面圖如圖6所示，所需預浸料寬度為

圖6 芯材截面圖Fig.6 Section of radius fillers

式中，L為預浸料寬度；W為芯材寬度；H為芯材高度；h為預浸料厚度；R為芯材半徑。

根據(jù)數(shù)模中R為6.25 mm，由于兩側為相同的R，W= 2R= 12.5 mm，根據(jù)計算，所需的預浸料寬度為134 mm。裁取所需寬度的單向帶預浸料，將預浸料放在如圖7所示的拉擠設備（設備型號：TR–2000S）的收卷軸上，選擇R為6.25 mm的口模，在45℃的溫度下，拉擠成所需的芯材。

圖7 芯材拉擠設備Fig.7 Automated pultrusion molding equipment of radius fillers

制備的芯材如圖8所示，達到所需芯材的要求。

圖8 制備的芯材Fig.8 Prepared radius fillers

（5）膠接組裝封袋。蒙皮加筋區(qū)域打磨后清潔干凈，將芯材裹上一層J–116B膠膜，放置在J型筋的芯材填充區(qū)域，在筋條底部鋪一層J–116B膠膜，再將J型筋條使用龍門架定位在蒙皮上面，定位裝置如圖9所示。

圖9 筋條龍門架定位Fig.9 Stiffeners fixed position by portal frame

在筋條C型區(qū)域使用上文制作的軟模，筋條Z型區(qū)域使用鋼模工裝，筋條邊緣使用Airpad橡膠作為擋條，阻擋固化過程中的樹脂，組裝示意圖如圖10所示，組裝完成后安裝熱電偶，并將隔離膜、透氣氈依次放置在零件上方，安放真空嘴，再使用膩子條封裝真空袋。

圖10 筋條組裝示意圖Fig.10 Stiffener assembled sketch

（6）熱壓罐固化、脫膜和切割。按照預浸料和膠膜共膠接的固化參數(shù)進熱壓罐固化，固化完成后去除輔助材料，然后取下龍門架，將試驗件從工裝上取下來。按照筋條上的印痕切割筋條至凈尺寸，切割精度為（–1，+0.5） mm。加筋壁板試驗件脫模前后照片如圖11所示。

圖11 復合材料加筋壁板試驗件Fig.11 Composite reinforced panel test piece

（7）無損檢測和測量。

厚度測量：對R區(qū)厚度使用磁力測厚儀 （7400FH，Elektrophysik）測量。

無損檢測：使用A掃設備 （USM GO，GE公司）進行無損檢測。

R區(qū)纖維分析：對試驗件R區(qū)檢查拍照。

2 結果分析

2.1 厚度測量

對所制作的試驗件J型筋條使用磁力測厚儀進行厚度測試，結果如表1所示。可以看出，筋條R區(qū)尺寸滿足厚度 （2.5±0.1） mm的要求，但是比理論厚度2.5 mm偏薄。原因可能是筋條在上方，在固化過程中，筋條上的樹脂會向下流，導致筋條上方區(qū)域尺寸偏薄。

表1 筋條R區(qū)厚度測量結果Table 1 R-area thickness measurement results of stiffener mm

測量筋條與蒙皮粘接的平面區(qū)域的厚度，即一半筋條厚度加上蒙皮的厚度，蒙皮理論厚度為2.5 mm，一半筋條理論厚度為1.25 mm，因此該區(qū)域理論厚度為3.75 mm，測量結果如表2所示。可以看出，整體厚度滿足厚度 （3.75±0.15） mm公差要求，但是整體比理論厚度3.75 mm偏厚。原因可能為筋條區(qū)域的樹脂在固化過程中向下流向筋條平面區(qū)域，導致厚度略厚。

表2 筋條平面區(qū)域厚度測量結果Table 2 Flat-area thickness measurement results of stiffener mm

2.2 無損檢測結果

根據(jù)技術條件要求對加筋壁板進行無損檢測，對整個筋條區(qū)域，包括筋條上方、R區(qū)、側面和底面分別進行A掃，按照技術條件要求進行檢測，檢測結果合格，無分層等內(nèi)部質(zhì)量缺陷，檢測過程和結果如圖12所示。

圖12 無損A掃照片F(xiàn)ig.12 A-scan non-destructive pictures

2.3 R區(qū)纖維變形檢查結果

圖13為切割后的R區(qū)照片，可以看出，R區(qū)纖維為連續(xù)弧形無皺褶，說明整個折彎過程中纖維層間出現(xiàn)滑移，能夠很好地按照設定的方向進行彎折。芯材形狀規(guī)則，纖維在芯材上方位置處略有彎曲，這是因為軟模與鋼模的兩側壓力略有不同。

圖13 J型筋條R區(qū)照片F(xiàn)ig.13 R-area picture of J-type stiffener

3 結論

（1）使用筋條自動彎折成型設備進行J型筋條的彎折成型，在僅進行一次預抽的情況下，可以實現(xiàn)層間的滑移完成彎折成型過程，即在合適的溫度和壓輥的滾壓作用下，可以將復合材料預浸料板沿工裝按預訂的方向折彎。

（2）使用芯材成型設備 （芯材自動拉擠設備）在一定的工藝條件下，可以生產(chǎn)出符合要求的芯材。

（3）采用干蒙皮濕筋的共膠接成型方式，使用龍門架進行筋條的定位，C型區(qū)域使用軟模進行組裝，可以制造出無損檢測和厚度均符合要求的復合材料加筋壁板，筋條上方厚度偏薄，與蒙皮粘接處的厚度略厚，由于樹脂在固化過程中向下流動導致。

（4）筋條自動彎折成型和芯材自動拉擠技術在J型加筋壁板上的成功應用，為復合材料加筋壁板的自動化成型生產(chǎn)線的建立奠定了基礎。